DE1573819A1 - Electromechanical converter for stretch, pressure and acceleration measurements - Google Patents
Electromechanical converter for stretch, pressure and acceleration measurementsInfo
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Description
Sentralinstitutt for industriell forskning,Sentralinstitutt for industriell forskning,
Oslo, Norwegen.Oslo, Norway.
Elektromechanischer Umformer für Streck-, Druck- und Akzelerationsmessung.Electromechanical converter for stretch, pressure and acceleration measurements.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Umformer für Streck-, Druck- und Akzelerationsmessung, bestehend aus einem Halbleiterkörper, z.B. einem Siliziumbalken, an welchem Halbleiterelemente hineindiffundiert sind, deren elektrische Parameter bei Änderungen der mechanischen Beanspruchungen des Balkens geändert werden.The present invention relates to an electromechanical transducer for stretching, pressure and acceleration measurement, consisting of a semiconductor body, e.g. Silicon beam, into which semiconductor elements are diffused, their electrical parameters when the mechanical ones change Stresses on the beam can be changed.
Es sind z.B. aus der deutschen Patentschrift Nr,1.168.118There are e.g. from German Patent No. 1.168.118
Umformer der Art bekannt, die in gleicher Weise wie gewöhnlicheTransformers of the kind known in the same way as ordinary
am Messobjekt
Strecklappen/angeklebt oder -legiert werden. Umformer dieser
Art haben indessen sehr kleine Dimensionen und lassen sich sehr schwer am Messobjekt befestigen, und der Zweck der Erfindung
ist daher die Schaffung einer zweckmässigen Befestigung des Umformers am Messobjekt, wp^äaxnixzjtrvorteilhaft als Selbstständiger
Umformer, z.B. als Druckmesser, verwendet werden kannon the measurement object
Stretch flaps / be glued or alloyed. Transducers of this type, however, have very small dimensions and are very difficult to attach to the measurement object, and the purpose of the invention is therefore to create an appropriate attachment of the transducer to the measurement object, wp ^ äaxnixzjtr can advantageously be used as an independent transducer, e.g. as a pressure gauge
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Balken mittels mechanischer Spannelemente (z.B. Drähte) in einem Halter montiert ist, welche die mechanischen Kräfte vom Balken zum Halter überführen, wenn der Balken mechanisch beansprucht wird, und dass diese mechanischen Spannelemente elektrisch von einander isoliert sind, so dass sie gleichzeitigThis is achieved according to the invention in that the The beam is mounted in a holder by means of mechanical tensioning elements (e.g. wires), which absorb the mechanical forces from the Transfer the beam to the holder when the beam is mechanically stressed, and that these mechanical tensioning elements are electrically isolated from each other so that they are simultaneous
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als elektrische Verbindungen zu den Kontaktfeldern der am Balken vorgesehenen Halbleiterelemente wirken, indem die mechanischen Spannelemente durch Löten, Schweissen, Legieren oder entsprechende Methoden elektrisch und mechanisch mit den Kontaktpunkten verbunden sind.act as electrical connections to the contact fields of the semiconductor elements provided on the beam by the mechanical Clamping elements by soldering, welding, alloying or corresponding methods electrically and mechanically with the Contact points are connected.
Bei einer Ausführung der Erfindung besteht der Halter aus einem kurzen Rohrstück aus Metall, in dessen Hohlraum in Glas oder ähnlichem Material voneinander isoliert vier Metalldrähte eingeschmolzen sind, so dass freie Enden der Drähte dm einen Ende des Rohrstückes ein kurzes Stück aus dem Glas herausragen, zwischen welchen Drahtenden der Halbleiterbalken festgeklemmt und z.B. durch Löten mit den Kontaktpunkten des eindiffundierten Halbleiterelementes oder der Halbleiterelemente verbunden ist, während die anderen Drahtenden als elektrische Anschlüsse an den Umformer dienen.In one embodiment of the invention, there is the holder from a short piece of metal pipe, in its cavity in glass or similar material isolated from each other four metal wires are melted down so that the free ends of the wires protrude a short distance from the glass at one end of the pipe, between which wire ends the semiconductor bar is clamped and e.g. by soldering with the contact points of the diffused Semiconductor element or the semiconductor elements is connected, while the other wire ends as electrical Connections to the converter are used.
Vorzugsweise ist im Balken an zwei gegenüberstehenden Seitenflächen ein Halbleiterelement eindiffundiert, und diese beiden Halbleiterelemente bilden die beiden Zweige in der einen Hälfte einer Messbrücke.A semiconductor element is preferably diffused into the beam on two opposing side faces, and these Both semiconductor elements form the two branches in one half of a measuring bridge.
Vorteilhaft kann im Balken mindestens ein Transistor eindiffundiert sein, der zur Verstärkung der Wirkung der Änderung der elektrischen Parameter verwendet werden kann.At least one transistor can advantageously diffuse into the bar which can be used to enhance the effect of changing electrical parameters.
Bei einer anderen Ausführung der Erfindung besteht der Halter aus einem Rahmen, in dessen Öffnung der Balken mit Spiel angeordnet ist, wobei in zwei gegenüberstehenden Seitenflächen des Balkens jeweils ein Halbleiterelement mit einem Kontaktpunkt dn jedem Ende hineindiffundiert ist, welche Kontaktpunkte je-, weils mit einer Zuleitung verbunden sind, welche mit HilfeIn another embodiment of the invention, the holder consists of a frame, in the opening of which the bar with play is arranged, with a semiconductor element with a contact point in each of two opposite side surfaces of the beam dn each end is diffused, which contact points are each, because they are connected to a supply line, which with the help
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eines Isolationsmaterials steif mit dem Rahmen verbunden ist.an insulation material is rigidly connected to the frame.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen unter Bezugnahme auf die Zeichnung: näher erläutert werden.Two exemplary embodiments of the invention are to be explained in more detail with reference to the drawing.
Fig. 1 zeigt in der Perspektive eine Ausführung eines erfindungsgemässen elektromechanischen Umformers.1 shows in perspective an embodiment of an electromechanical converter according to the invention.
Fig. 2 zeigt im Grundriss eine andere Ausführung eines erfindungsgemässen elektromechanischen Umformers.Fig. 2 shows another embodiment of a plan view electromechanical converter according to the invention.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den Umformer von Fig. Z. Fig. 3 shows a longitudinal section through the converter of FIG. Z.
In einen Siliziumbalken 1 mit einer Länge von 5-10 n1111» einer Breite von 1 - 2 mm und einer Dicke von 0,1 - 0,15 mm ist an den beiden Breitseiten ein Halbleiterelement 2 hineindiffundiert. Der Siliziumstab ist festgeklemmt, und die Halbleiterelemente 2 sind bei 6 an toetalldrähte 3 angelötet, dieA semiconductor element 2 is diffused into a silicon bar 1 with a length of 5-10 n 1111 », a width of 1-2 mm and a thickness of 0.1-0.15 mm on the two broad sides. The silicon rod is clamped, and the semiconductor elements 2 are soldered at 6 to metal wires 3, the
aus Metallmade of metal
aus dem einen Ende eines Rohrstückes 4/nera'usra^en> i-n dessen Hohlraum Glas 5 eingeschmolzen ist, das die Drähte 3 in gegenseitigem Abstand und elektrisch voneinander isoliert hält. Die anderen Enden der Drähte 3 ragen in erwünschter Länge an der entgegengesetzten Seite des Rohrstückes 4 heraus und dienen als Anschlüsse an die Halbleiterelemente 2. Die beiden Halbleiterelemente 2 an jeder Seite des Balkens 1 bilden vorzugsweise die beiden Zweige in der einen Hälfte einer Wheatstoneschen Brücke. Das Rohrstück hat vorzugsweise einen äusseren Diameter von 1,8 mm und einen inneren Diameter von 1,6 mm. Die Drähte haben vorzugsweise einen Diameter von 0,25 n™ un(^ haben paarweise an jeder Seite der Platte einen gegenseitigen Abstand von 0,5 mm und ragen etwa 0,9 mm ö.m Befestigungsende für den Balken 1 aus dem Rohrstück heraus. Die Lotung in den Punktenfrom one end of a pipe section 4 / nera ' usra ^ en > i- n the cavity of which glass 5 is melted, which keeps the wires 3 at a mutual distance and electrically insulated from one another. The other ends of the wires 3 protrude to the desired length on the opposite side of the pipe section 4 and serve as connections to the semiconductor elements 2. The two semiconductor elements 2 on each side of the beam 1 preferably form the two branches in one half of a Wheatstone bridge. The pipe section preferably has an outer diameter of 1.8 mm and an inner diameter of 1.6 mm. The wires preferably have a diameter of 0.25 mm un ( ^ are in pairs on each side of the plate at a mutual distance of 0.5 mm and protrude about 0.9 mm ö.m of the fastening end for the beam 1 from the pipe section. The plumbing in the points
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erfordert besonders präparierte Kontaktflächen an den Halbleiterelementen 2.requires specially prepared contact surfaces on the semiconductor elements 2.
Bei zweckmässiger Anbringung des Umformers und einer Belastung des ausseren Endes des Balkens mit einem Gewicht ist der Umformer zur Anwendung als Akzelerometer gut geeignet.If the converter is properly attached and the outer end of the beam is loaded with a weight, the Transducer well suited for use as an accelerometer.
Durch Umgeben des Umformers mit einer elastisch nachgebenden Kappe, die mit dem ausseren Ende des Balkens 1 mit Hilfe eines Abstandsstückes verbunden ist,und durch Umgeben des Ganzen mit einer dünnen, dm Ende mit einem Loch versehenen Stahlkappe kann der Umformer vorteilhaft als Druckmesser verwendet werden und lässt sich mit seinen geringen Dimensionen leicht in den Magen eines Patienten oder auch in das Herz oder in andere Organe, wo der Druck gemessen werden soll, hineinführen, By surrounding the converter with an elastically yielding cap that is connected to the outer end of the beam 1 with Connected by means of a spacer, and by surrounding it With a thin steel cap with a hole at the end, the converter can advantageously be used as a pressure gauge and with its small dimensions it can be easily inserted into the stomach of a patient or also into the heart or lead into other organs where the pressure is to be measured,
■ . Der Umformer kann auch als Druck- oder Stossmesser oder ^Streckmesser von hohlen Körpern verwendet werden, indem der Balken 1 mit einem nicht beanspruchten. Stab im Hohlraum in Kontakt ist, während der Halter 4- a*i dem der Beanspruchung ausgesetzten· Objekt befestigt ist»■. The transducer can also be used as a pressure or shock meter or stretch meter of hollow bodies by the beam 1 with a non-stressed. Rod is in contact in the cavity, while the holder 4- a * i is attached to the object exposed to the stress »
Der Umformer kann auch leicht mit Hilfe eines Balges oder ^iner Membrane zur Druckmessung verwendet werden sowie zum Messen des Drehmomentes bei Wellen.The transducer can also easily be used with the help of a bellows or a membrane for pressure measurement and for Measuring the torque on shafts.
Er kann auch als Messvorrichtung für sehr kleine Messbereiche, z.B. zwischen 25 und 200/u, ausgeformt werden.It can also be designed as a measuring device for very small measuring ranges, e.g. between 25 and 200 / u.
Der Umformer kann auch als Resonnanzgenerator verwendet werden, wenn das freie Ende des Balkens 1 mit magnetisierbarem Material versehen und in einem magnetischen Wechselfeld angebracht wird.The converter can also be used as a resonance generator if the free end of the beam 1 is magnetizable Material is provided and applied in an alternating magnetic field.
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Bei der Ausführung geraäss Fig. 2 und 3 besteht der Halter aus einem Rahmen 1J mit einer Öffnung 8, in welcher ein Halbleiterbalken 1 mit Spiel angebracht ist.In the embodiment geraäss FIGS. 2 and 3, the holder consists of a frame 1 with an opening J 8, in which a semiconductor bar 1 is mounted with play.
In den Balken ist an zwei gegenüberstehenden Seitenflächen ein Halbleiterelement 2 hineir\jiiffundiert, dessen elektrische Parameter durch Veränderung der mechanischen Beanspruchungen des Balkens geändert werden. Die Enden der Halbleiterelemente sind bei 6 elektrisch leitend, beispielsweise durch Löten, mit Zuleitungen 3 verbunden, die steif an gegenüberstehenden Enden des Rahmens 1J befestigt sind, z.B. mit Glas festgeschmolzen, so dass die vier Zuleitungen voneinander isoliert sind, gegebenenfalls vom Rahmen, falls dieser aus elektrisch leitendem Material besteht.A semiconductor element 2 is diffused into the beam on two opposite side surfaces, the electrical parameters of which are changed by changing the mechanical stresses on the beam. The ends of the semiconductor elements are electrically conductive at 6, for example by soldering, connected to leads 3 provided on opposite ends of the frame 1 J are rigidly secured, for example, firmly fused with glass, so that the four supply lines are isolated from each other, optionally by the frame, if this consists of electrically conductive material.
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109687/0346109687/0346
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